KR100913997B1 - 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여패터닝하는 방법 - Google Patents

표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여패터닝하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 그 응용에 관한 것으로, 나노미터 두께의 얇은 가동층의 분자들이 표면유체가 되도록 잉크를 형성하고, 이를 이용하여 나노 스케일의 프린팅에 응용할 수 있는 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여 패터닝하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 리저버 역할을 하는 고체부와 상기 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 잉크 분자의 역할을 하는 얇은 가동층으로 이루어지고 상기 잉크 분자의 용융으로 가동층의 분자들이 표면유체가 되어 확산되는 잉크 형성방법을 제공한다.
표면유체 원리, 잉크, 나노, 프린팅, 패터닝

Description

표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여 패터닝하는 방법{Method forming ink by using principle of surface fluid and patterning method using the same}
도1은 종래 기술에 따른 잉크젯 프린팅 방법을 나타낸 구성도.
도2는 마이크로 접촉 프린팅 방법을 나타낸 구성도.
도3은 딥펜 나노리소그래피의 방법을 나타낸 구성도.
도4는 딥펜 나노리소그래피를 이용하여 여러 패터닝을 나타낸 예시도.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 낮은 용융 온도를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 표면유체에 의한 잉크 형성방법에서 잉크 분자의 용융 온도 조건을 나타낸 구성도.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 솔벤트 입자의 흡착 효과를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도.
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 불순물 입자를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도.
본 발명은 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여 패터닝하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노미터 두께의 얇은 가동층의 분자들이 표면 유체가 되도록 잉크를 형성하고, 이를 이용하여 나노 스케일의 프린팅에 응용할 수 있는 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여 패터닝하는 방법에 관한 것이다.
도1은 종래 기술에 따른 잉크젯 프린팅 방법을 나타낸 구성도이고, 도2는 마이크로 접촉 프린팅 방법을 나타낸 구성도이다.
도1에 나타낸 바와 같이, 잉크젯 프린팅(ink jet printing) 방법은 전하를 띠고 있는 잉크를 작은 크기의 노즐을 통해 분사한 뒤, 전기장을 이용해 이 잉크 방울의 경로를 조절하여 원하는 곳에 흡착시켜 패터닝하는 기술이다. 잉크 방울을 얼마나 작고 균일하게 만들 수 있는지, 얼마나 정확하게 경로를 조절할 수 있는 지가 좋은 품질의 프린팅을 좌우하게 된다. 잉크 분사 방법에 따라서 열 잉크젯 프린팅과 압전 잉크젯 프린팅으로 나뉘기도 하고, 패터닝 속도를 향상시키기 위해서 구멍의 개수를 늘리는 방법을 사용하기도 한다. 그러나, 이러한 방법에 의한 해상도(resolution)는 수십 마이크로미터를 넘지 못하는 문제점이 있다.
도2에 나타낸 바와 같이, 마이크로 접촉 프린팅(micro-contact printing) 방법은 적당한 분자 잉크 용액을 PDMS(polydimethylsiloxane) 스탬프에 잉크처럼 묻 힌 후 찍히는 부분에 “잉크 분자”가 전달되도록 하는 것이다. 이러한 방법은 기판의 상대적으로 넓은 영역에 안정적으로 패터닝할 수 있다. 또한, 한 번 찍는 것만으로도 잘 정렬된 단층(monolayer)이 상당히 빠른 시간 안에 간단하게 넓은 영역에 걸쳐 자기조립 단층(Self Assembly Monolayer; SAM)을 형성하게 된다. 그러나, 이러한 공정은 스탬프나 여러 공정이 필요하게 되어 장치가 복잡하며 공정이 복잡해지는 문제점이 있으며, 또한 전술한 잉크젯 프린팅 방법에 의한 해상도보다는 높지만 역시 해상도가 높지 못한 문제점을 갖고 있다.
도3은 딥펜 나노리소그래피의 방법을 나타낸 구성도이고, 도4는 딥펜 나노리소그래피를 이용하여 여러 패터닝을 나타낸 예시도이다.
도3에 나타낸 바와 같이, 딥펜 나노리소그래피(DPN; Dip-Pen Nanolithography) 방법은 원자현미경(AFM; Atomic Force Microscope)의 탐침을 "펜"으로 사용하여, 다양한 종류의 분자를 "잉크"로써, 고체표면에 나노미터 해상도로 직접 증착(direct deposition)하는 기술이다. 현재까지 이러한 기술을 이용해 증착된 물질의 예로는 다양한 종류의 탄소 화합물, 유전자(DNA), 단백질(protein), 반도체공정을 위한 화학 물질, 다종의 금속 등을 들 수 있다.
상기 DPN 방법을 이용하면 고체표면에 유기 및 무기분자들을 10nm 의 해상도로 직접 증착할 수 있다. 기존의 직접 증착 기술의 한가지인 잉크젯 프린터의 해상도가 아직 10μm 정도임을 고려할 때, 상기 DPN 방법의 10nm 해상도는 높으며, 이러한 DPN 기술은 분자를 원하는 표면에 증착시켜 분자회로를 집적시킬 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 DPN 기술은 그 메카니즘이나 증착된 분자의 상을 이해하기 위 한 기본적인 사항, 나노 스케일의 접합을 통한 이동 동안의 분자의 상과 같은 기본적인 사항에 대한 적절한 실험이나 이론이 미약한 실정이다.
따라서, 본 발명은 표면유체의 원리를 이용하여 나노미터 두께의 얇은 가동층의 분자들이 표면 유체가 되도록 잉크를 형성하고, 이러한 분자들이 고체표면으로 확산되게 함으로써 나노 스케일의 프린팅에 적용할 수 있는 표면유체 원리를 이용한 잉크의 형성방법 및 이를 이용하여 패터닝하는 방법을 제공한다.
이러한 구성을 달성하기 위하여, 본 발명은 리저버 역할을 하는 고체부와 상기 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 잉크 분자의 역할을 하는 얇은 가동층으로 이루어지고 상기 잉크 분자의 용융으로 가동층의 분자들이 표면유체가 되어 확산되는 잉크 형성방법을 제공한다.
상기 잉크 분자의 용융 온도는 주위의 온도와 같거나 높게 이루어지고, 상기 잉크 분자에 잉크 분자의 솔벤트 입자가 더 흡착되어 잉크 분자의 확산을 증대시킬 수 있다. 상기 잉크 분자는 친수성 분자일 수 있다.
상기 잉크의 형성은 항습 챔버에서 이루어질 수 있고, 상기 잉크 분자에 불순물 입자를 더 첨가하여 잉크 분자의 확산을 증대시킬 수 있다.
여기에서, 상기 불순물 입자는 높은 이동성을 갖는 입자이다. 그리고, 상기 불순물 입자는 잉크 분자의 용융 온도에서 상 분리가 일어나지 않는 입자이어야 한다.
또한, 본 발명은 리저버 역할을 하는 고체부와 상기 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 잉크 분자의 역할을 하는 얇은 가동층으로 이루어지는 팁에서 상기 잉크 분자의 용융 온도를 주위 온도와 같거나 높게 하여 상기 가동층의 분자들이 표면유체가 되고 상기 표면유체가 된 분자의 이동성에 의해 분자가 고체표면으로 확산되어 직접 증착되는 표면유체를 이용한 패터닝 방법을 제공한다.
상술한 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적 실시예를 상세히 설명한다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 낮은 용융 온도를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도이고, 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 표면유체에 의한 잉크 형성방법에서 잉크 분자의 용융 온도 조건을 나타낸 구성도이다.
도5 및 도6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 낮은 용융 온도(low melting temperature)를 이용한 표면 유체 형성방법에서 표면유체는 이중 분자층 모델(Double Molecular Layer Model; DML)로 설명할 수 있다. 즉, 상기 모델은 리저버 역할을 하는 두꺼운 “고체부(thick solid part)”(110)와 잉크 입자(분자)의 역할을 하는 얇은“가동층(thin mobile layer)”(120)으로 구성되는 팁부(100)로 이루어진다. 여기에서, 상기 잉크 분자의 용융 온도(TM)를 주변 온도, 즉 팁부의 주위 온도(TTip)와 같거나 높게 하는 분자들을 본 실시예에서의 잉크 입자로 사용한다. 이에 따라, 상기 가동층의 분자들이 수 nm 크기의 두께로 표면유체가 되어 고체표면(예를 들어, 기판)으로 확산됨으로 인해 직접 증착하는 패터닝을 할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 주변의 온도가 잉크 분자의 용융 온도보다 낮은 것이 바람직하다. 즉, 다시 말해서 상온과 비슷하거나 상온보다 약간 높은 용융 온도를 가진 분자들을 잉크 입자로 사용할 수 있다.
도6에 나타낸 바와 같이, 팁부(100)의 주위 온도(TTip)가 잉크 분자의 용융 온도(TM) 근처이거나 낮은 온도에서, 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 얇은 가동층이 형성되어 이중 분자층을 이룬다. 이와 같이 형성된 얇은 가동층의 분자들이 표면 유체가 되고, 그 두께는 수 nm 사이즈이므로 이를 이용하여 나노 스케일 프린팅에 응용할 수 있다.
또한, 도6에 나타낸 바와 같이, 도6의 a)에서 가장 바람직한 잉크 분자의 표면유체가 형성된 것을 알 수 있다. 그리고, 도6의 c)에서는 얇은 가동층이 형성되지 않은 것도 알 수 있다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 솔벤트 입자의 흡착 효과를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도이다.
도7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 솔벤트 입자의 흡착(solvent adsorption) 효과를 이용한 표면유체 형성은 대기 중에 잉크 입자의 솔벤트 용액 분자가 존재하는 경우에서 프린팅을 하는 도중에 솔벤트 입자가 흡착되 어 표면유체의 확산(diffusion) 효과를 증대시킬 수 있다. 즉, 벌크 고체부(110)로부터 상기 잉크 분자의 용융으로 가동층(120)의 분자들이 표면유체가 형성된 뒤에 공기 중으로부터 솔벤트 입자가 흡착되어 잉크 입자가 고체표면으로 더 잘 확산 되도록 도와준다. 예를 들어, 공기 중의 물 분자가 표면유체에 흡착되는 경우, 잉크 입자의 가동성을 향상시킬 수 있으므로, 친수성 잉크 분자인 경우에는 그 영향이 더욱 크게 된다. 따라서, 항습 챔버를 이용하면 잉크 분자의 확산이 촉진되므로 프린팅(패터닝) 속도를 더욱 증가시킬 수 있으나, 너무 높은 습도는 오히려 잉크의 확산을 지나치게 증가시켜 패터닝 해상도 등을 조절하기 힘들 수도 있으므로 항습 챔버에서 적절한 습도를 유지하는 것이 바람직하다.
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 불순물 입자를 이용하여 표면유체에 의한 잉크 형성방법을 나타낸 구성도이다.
도8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 높은 가동성을 갖는 불순물(high mobility impurity) 입자를 이용한 표면유체 형성에서는 잉크 입자들이 액체 솔벤트에 용해되어 있던 것에 비해 이 경우는 높은 가동성을 지니는 분자들이 솔벤트의 역할을 대신하게 된다. 즉, 불순물 입자를 잉크 입자에 더 첨가함으로써,잉크 입자들의 입장에서는 불순물의 형태로써 섞여 있는 분자들이지만 무거운 잉크 분자들을 좀 더 빠르게 확산시켜 패터닝 될 수 있도록 해 주는 중요한 역할을 하게 된다. 특히, 이러한 불순물 분자들은 잉크 입자의 용융 온도 부근에서 잉크 입자와 상 분리(phase separation)가 일어나지 않는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우, 잉크 입자와 불순물 입자들은 서로 분리되어 표면유체를 형성할 수도 없을 뿐만 아 니라, 잉크 입자를 수송(확산)하는 역할을 제대로 수행할 수 없다. 이와 같이 형성된 표면 유체와 잉크 입자들은 나노 두께의 액체 상태를 이루게 되므로 나노 스케일의 프린팅이나 패터닝이 가능하게 된다.
이와 같이 전술한 표면유체 원리를 이용하여 잉크를 형성하고, 이를 나노크기의 프린팅(패터닝)에 응용할 수 있다. 또한, 본 발명자들이 2005년 11월 28일자에 MRS에서 주최한 "2005 MRS Fall Meeting"에 제출한 "Phase Transition in nanoscale Direct Deposition Processes" 논문은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 잉크 분자의 용융으로 나노미터 두께의 얇은 가동층의 분자들이 표면유체가 되도록 잉크를 형성하고, 이를 이용하여 나노 스케일의 프린팅에 응용함으로써 높은 해상도를 가지며 그 두께는 수 nm인 패터닝이 가능한 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 리저버 역할을 하는 고체부와 상기 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 잉크 분자의 역할을 하는 얇은 가동층으로 이루어지고 상기 잉크 분자의 용융으로 가동층의 분자들이 표면유체가 되어 확산되고, 이러한 잉크의 형성은 항습 챔버에서 이루어지는
    잉크 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 분자의 용융 온도는 주위의 온도와 같거나 높게 이루어지는
    잉크 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 분자에 잉크 분자의 솔벤트 입자가 더 흡착되어 잉크 분자의 확산을 증대시키는
    잉크 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 분자는 친수성 분자인
    잉크 형성방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 분자에 불순물 입자를 더 첨가하여 잉크 분자의 확산을 증대시키는
    잉크 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 불순물 입자는 높은 이동성을 갖는 입자인
    잉크 형성방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 불순물 입자는 잉크 분자의 용융 온도에서 상 분리가 일어나지 않는 입자인
    잉크 형성방법.
  9. 리저버 역할을 하는 고체부와 상기 고체부 내부의 벌크 부분으로부터 잉크 분자의 역할을 하는 얇은 가동층으로 이루어지는 팁에서 상기 잉크 분자의 용융 온도를 주위 온도와 같거나 높게 하여 상기 가동층의 분자들이 표면유체가 되고 상기 표면유체가 된 분자의 이동성에 의해 분자가 고체표면으로 확산되어 직접 증착되고, 이러한 패터닝은 항습 챔버에서 이루어지는
    표면유체를 이용한 패터닝 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패터닝 중에 잉크 분자의 솔벤트 입자가 더 흡착되는
    표면유체를 이용한 패터닝 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 잉크 분자에 높은 이동성을 갖는 입자인 불순물 입자를 더 첨가하여 잉크 분자의 확산을 촉진시켜서 고체표면에 증착하는
    표면유체를 이용한 패터닝 방법.
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